非同步采样下电力系统无功和谐波算法研究

摘要

现有的电能表测量无功的设计原理都是基于正弦周期电压和电流信号的假设，其理论基础是正弦电路功率理论，这类电能表只适用于计量供电电压和电流的波形无畸变下的线性负荷电能。在此情况下正弦电路功率理论逐渐呈现出不适应。论文研究了无功功率测量算法和非同步采样下的谐波算法。 无功测量在电力系统中有着重要的地位和作用。本文分正弦和非正弦两种情况，论述了包括公式法、移相法、改进移相法、积分法等在内的几种主流无功测量方法，对现有方法的精度和误差进行了分析，探讨了各种方法下的误差应对策略。并简要介绍了各种方法的软硬件实现的可行性。 谐波测量重点介绍了加窗插值法和准同步法在电力系统谐波参数估计中的应用。首先分析了非同步采样时FFT算法频谱泄漏的主要原因。然后通过对常用窗函数的特性探讨，给出了基于海宁窗和布莱克曼窗下的幅值和频率估计公式。同时基于准同步法的基本原理，给出了幅值计算公式。 仿真结果表明：综合正弦电路情况下的四种无功测量方法，在电压电流谐波含量较小的情况下，上述四法都能达到比较好的精度。最后结合它们的频率特性和相位特性，对算法的精度和可靠性作了分析。三种谐波测量方法都能显著减少频谱泄漏。最后结合精度、误差频率特性和算法易实现性的比较，对几种算法的实际使用给出了建议。 最后，结合低压无功补偿项目，重点介绍了谐波和无功测量的硬件实现系统，对实际的无功和谐波测量作了一定的介绍。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 电力系统无功和谐波计量的重要性

1.2 无功和谐波测量研究现状和趋势

1.2.1 无功测量算法

1.2.2 皆波测量算法

1.2.3 测量的硬件平台的发展

1.3 课题的研究目的及论文的主要内容

第2章 电力系统无功定义

2.1 传统正弦情况下的无功定义

2.2 Budeanu定义下的频域无功功率

2.3 Fryze定义下的时域无功功率

2.4 小结

第3章 电力系统无功测量方法

3.1 人为无功电能表原理

3.2 正弦电路情况下的无功算法

3.2.1 公式法

3.2.2 移相法

3.2.3 改进移相法

3.2.4 积分法

3.3 非正弦电路情况下的无功功率算法

3.3.1 基于FFT的无功功率测量法

3.3.2 基于Hilbert的数字滤波器的无功功率测量法

3.3.3 基于小波变换法的无功测量算法

3.4 小结

第4章 谐波分析方法

4.1 皆波的定义

4.2 FFT谐波分析方法

4.3 非同步采样时的频谱泄漏分析

4.4 加窗插值FFT算法

4.4.1 简谐信号的插值FFT算法

4.4.2 FFT算法的长范围泄漏问题

4.4.3 基于海宁窗的插值FFT算法

4.4.4 基于布莱克曼窗的插值FFT算法

4.5 准同步DFT法

4.5.1 准同步采样法

4.5.2 结合准同步法的DFT算法

第5章 仿真分析

5.1 正弦情况下无功算法仿真

5.1.1 同步采样下误差情况

5.1.2 计算周期开始位置的影响

5.1.3 电压和电流相位差的影响

5.1.4 信号基波频率偏移的影响

5.2 非正弦情况下无功算法仿真

5.3 非同步情况下谐波算法仿真

5.4 小结

第6章 系统硬件设计

6.1 系统基本原理和硬件总框图

6.2 系统各功能模块

6.2.1 信号变换及调理模块

6.2.2 AD采样模块

6.2.3 锁相同步采样电路

6.2.4 电源模块

6.2.5 人机对话模块

6.2.6 通讯模块

6.2.7 其它辅助模块

6.2.8 逻辑电平转换模块

6.3 实测谐波数据与分析

6.4 系统主要PCB原理图

6.5 系统抗干扰考虑

6.5.1 干扰源

6.5.2 抑制干扰源

6.5.3 提高敏感器件的抗干扰性能

第7章 结论

参考文献

本人在攻读硕士学位期间发表收录论文

致谢